Processos de soldagem por fusão são baseados na aplicação de energia de forma localizada na junta através de uma fonte concentrada de calor. Esta aplicação de calor permite a fusão localizada da junta, criando a poça de fusão a qual, através do deslocamento da fonte de calor ao longo da junta, leva à criação da solda. Um conceito frequentemente usado para caracterizar este processo, que tem importantes consequências metalúrgicas na região da solda, é o de energia de soldagem (Ea). A definição da energia
de soldagem (Ea) é dada pela razão entre a potência gerada no arco (dada pelo produto de U e I) e a velocidade de soldagem, vs:
Ea = UI/vs (3.25) A energia líquida de soldagem ou aporte térmico é o valor da energia de soldagem corrigida por um fator , chamado rendimento térmico, que representa a energia transferida para a peça e varia de 0,75 a 0,95 no processo GMAW. No entanto, o valor da energia de soldagem somente não caracteriza alguns efeitos importantes na solda, tais como a profundidade de penetração e a geometria do cordão de solda. Estes efeitos dependem da concentração de energia do arco (intensidade da fonte de calor) e do próprio rendimento térmico que variam de acordo com a combinação dos parâmetros de soldagem (Modenesi, Marques e Santos, 2006).
O estudo do ciclo térmico causado pela soldagem visa, através da análise das condições térmicas nas regiões próximas ou no próprio metal de solda, a compreensão e o controle dos eventos metalúrgicos no processo de soldagem. São pontos de interesse os valores e a distribuição dos picos de temperatura na zona termicamente afetada, os tempos de permanência acima de temperaturas críticas de transformação metalúrgica e as taxas de resfriamento no metal de solda e na zona termicamente afetada (AWS, 1976). Os ciclos térmicos em processos de soldagem a arco atingem picos elevados de temperatura, gradientes de temperatura da ordem de 103 oC/mm e flutuações de temperatura da ordem de 103oC/s (Grong, 1994).
Para a maioria das condições usuais dos processos de soldagem a arco, as perdas térmicas pelas superfícies do metal de base por radiação e convecção podem ser desprezadas e apenas a transferência por condução de calor, da região da solda para o restante da peça, precisa ser considerada quando os aspectos térmicos do processo são modelados (Modenesi, Marques e Santos, 2006). Desta forma, a distribuição de temperatura na peça pode ser obtida a partir da equação diferencial para condução de calor em sólidos, ძT/ძt = α[ძ2T/ძx2
], onde α é a difusividade térmica do material. Soluções desta equação aplicáveis a diversas situações de soldagem foram propostas inicialmente por Rosenthal na década de 1930. As equações de Rosenthal podem ser aplicadas para previsão da extensão da ZTA, precipitação de carbonitretos, crescimento de grãos, formação da martensita, entre outros.
No presente estudo, o modelo considerado para o estudo do ciclo térmico de soldagem de um passe é o de uma fonte de calor pontual atuando numa chapa de espessura finita. Este modelo foi desenvolvido utilizando a solução para chapa infinita considerando a inexistência de transferência de calor pelas superfícies da chapa. A representação desta condição supõe que existem duas fontes de calor eqüidistantes em 2kh de distância da superfície onde se localiza a fonte de calor. Para este modelo, a equação desenvolvida para descrever o ciclo de temperatura num ponto em relação à zona de fusão é dada por Grong (1994):
T
(3.26)
Onde, ; To é a temperatura inicial da peça; Pa é a potência dissipada pelo arco (tensão (U) x corrente (I) de soldagem); h é a espessura da junta; ν é a velocidade de soldagem; αd é a difusividade térmica da peça; kc é a condutividade térmica da peça. Para permitir sua obtenção, as propriedades físicas do aço, embora variem com a temperatura, são consideradas como constantes nesta equação. A Tabela 3.3 mostra os valores médios de propriedades físicas do aço inoxidável ferrítico que serão utilizados neste estudo.
Outro parâmetro usado nos estudos de ciclo térmico determina o tempo de resfriamento entre duas temperaturas, normalmente entre 800º C e 500º C, representado por ∆t 8/5. Outras faixas de temperatura podem ser utilizadas dependendo do problema estudado usando a forma geral ∆tT1/T2. Terazaki e Gooch (1995) calcularam o tempo de resfriamento entre 1200º C e 800º C ou ∆t12/8, derivado do ∆t8/5 (tempo de resfriamento entre 800 e 500ºC) para aço inoxidável duplex, para obter parâmetros de resfriamento relativos à formação de ferrita delta durante a soldagem deste aço.
Uma análise abrangente dos fenômenos metalúrgicos envolvidos na soldagem que utiliza o modelo de fluxo de calor em conjunto com os modelos de crescimento de grão, de dissolução de precipitados, entre outros e pode ser encontrada em Grong (1994).
Du Toit e Naudé (2009) aplicaram a equação de Rosenthal no estudo da sensitização na ZTA de aço com 11-12% Cr (Figura 3.28). Estes autores estudaram o efeito da taxa de
resfriamento para dois níveis de energia de soldagem (660 e 220 J/mm) em regiões de ZTA a 100µm da zona de fusão de cordão sobre chapa de 6 mm de espessura. A soldagem com menor energia resultou em taxas de resfriamento muito altas e as reações envolvendo difusão foram fortemente suprimidas, minimizando a transformação da ferrita para austenita na região bifásica do diagrama de fases durante o resfriamento. Conseqüentemente, houve pouca ou nenhuma formação de martensita intergranular na ZTA adjacente à zona de fusão. Durante o resfriamento subseqüente, houve precipitação de Cr23C6, formando uma malha nos contornos de grãos de ferrita. A alta taxa de resfriamento também impediria a difusão de cromo para regiões adjacentes à formação dos precipitados.
Figura 3.28. Ciclos térmicos calculados para 100µm da linha de fusão em duas energias de soldagem em aço inoxidável ferrítico (Du Toit e Naudé, 2009).
A soldagem com maior energia permitiu um intervalo de tempo maior para a transformação da ferrita em austenita durante a passagem entre temperaturas correspondentes às linhas A3 e A1 do diagrama de fases (Figura 3.3) e após resfriamento foi obtida uma estrutura com martensita intergranular e ferrita na ZTA. Também, os autores observaram uma menor quantidade de precipitados de carbonetos na ZTA da solda de maior energia que foi justificada pela maior solubilidade de carbono na austenita presente na alta temperatura. A formação de austenita teria impedido a precipitação de
carbonetos que promoveriam regiões empobrecidas em cromo no contorno dos grãos de ferrita.